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矿山法指的是用开挖地下坑道的作业方式修建隧道的施工方法

矿山法是一种传统的施工方法。它的基本原理是,隧道开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据,其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖,并要求边挖边撑以求安全,所以支撑复杂,木料耗用多。随着喷锚支护的出现,使分部数目得以减少,并进而发展成新奥法。




简介

  暗挖法的一种,主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法,故名。用矿山法施工时,将整个断面分部开挖至设计轮廓,并随之修筑衬砌。当地层松软时,则可采用简便挖掘机具进行,并根据围岩稳定程度,在需要时应边开挖边支护。分部开挖时,断面上最先开挖导坑,再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动,分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。在坚实、整体的岩层中,对中、小断面的隧道,可不分部而将全断面一次开挖。如遇松软、破碎地层,须分部开挖,并配合开挖及时设置临时支撑,以防止土石坍塌。喷锚支护的出现,使分部数目得以减少,并进而发展成新奥法。

 
分类

   按衬砌施工顺序,可分为先拱后墙法及先墙后拱法两大类。后者又可按分部情况细分为漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法。在松软地层中,或在大跨度洞室的情况下,又有一种特殊的先墙后拱施工法──侧壁导坑先墙后拱法。此外,结合先拱后墙法和漏斗棚架法的特点,还有一种居于两者之间的蘑菇形法。

先拱后墙法

   也称支承顶拱法。在稳定性较差的松软岩层中,为了施工安全,先开挖拱部断面并即砌筑顶拱,以支护顶部围岩,然后在顶拱保护下开挖下部断面和砌筑边墙。在开挖边墙部分的岩层之前,必须将顶拱支承好,故有上述别称。开挖两侧边墙部分的岩层时(俗称挖马口),须左右交错分段进行,以免顶拱悬空而下沉。该法施工顺序见图1(图中阿拉伯数字为开挖顺序,罗马数字为衬砌顺序,下同)。施工时,须开挖上下两个导坑,开挖上部断面时的大量石碴,可通过上下导坑之间的一系列漏碴孔装车后从下导坑运出,既提高出碴效率,又减少施工干扰。当隧道长度较短、岩层又干燥时,可只设上导坑。在此种场合,为避免运输和施工的干扰,可先将上半断面 完全修筑完毕,然后再进行下半断面的施工。本法适用于松软岩层,但其抗压强度应能承受拱座处较高的支承应力;也适用于坚硬岩层中跨度或高度较大的洞室施工,以简化修筑顶拱时的拱架和灌筑混凝土作业。该法在外文文献中也称为比国法。

  


漏斗棚架法

   也称下导坑先墙后拱法。适用于较坚硬稳定的岩层。施工时先开挖下导坑,在导坑上方开始由下向上作反台阶式的扩大开挖,直至拱顶;随后在两侧由上向下作正台阶式的扩大开挖,直至边墙底;全断面完全开挖后,再由边墙到顶拱修筑衬砌。施工顺序见图2。此法在下导坑中设立的漏斗棚架,是用木料架设的临时结构。横梁上铺设轻便钢轨,在下导坑运输线路上方留出纵向缺口,其上铺横木,相隔一定间距,留出漏斗口供漏碴用。在向上扩大开挖时,棚架作工作平台用。图中2至5部爆出的石碴全落在棚架上,经漏斗口卸入下面的斗车运出洞外。这种装碴方式可减轻劳动强度。下导坑的宽度,一般按双线斗车运输决定。由于宽度较大,在棚架横梁下可增设中间立柱作临时加固用。设立棚架区段的长度,按装碴的各扩大开挖部分的延长加上一定余量来决定。用漏斗棚架装碴优点显著,故在中国以漏斗棚架命名。此法曾广泛应用于修建铁路隧道。

台阶法

  又有正台阶法和反台阶法之分。①正台阶法系在稳定性较差的岩层中施工时,将整个坑道断面分为几层,由上向下分部进行开挖,每层开挖面的前后距离较小而形成几个正台阶(图3a)。上部台阶的钻眼作业和下部台阶的出碴,可以平行进行而使工效提高。全断面完全开挖后,再由边墙到顶拱筑衬砌。在坑道顶部最先开挖的第一层为一弧形导坑,需要钻较多的炮眼,导坑超前距离很短,可使爆破时石碴直接抛落到导坑之外,以减轻扒碴工作量,从而提高掘进速度。如坑道顶部岩层松动,应即在导坑内用锚杆或钢拱架作临时支护,以防坍塌。②反台阶法则用于稳定性较好的岩层中施工,也将整个坑道断面分为几层,在坑道底层先开挖宽大的下导坑,再由下向上分部扩大开挖(图3b)。进行上层的钻眼时,须设立工作平台或采用漏斗棚架,后者可供装碴之用。


 

全断面法

  将整个断面一次挖出的施工方法。适用于较好岩层中的中、小型断面的隧道。此法能使用大型机械,如凿岩台车、大型装碴机、槽式台车或梭式矿车、模板台车和混凝土灌筑设备等进行综合机械化施工。新奥法的出现,扩大了全断面法和台阶法的适用范围。

上下导坑先墙后拱法


  也称全断面分部开挖法(图4)。以前,在稳定性较差的松软岩层中,为提高衬砌的质量,曾采用过此种先分部挖出全断面,再按先墙后拱顺序修筑衬砌的施工方法。采用此法开挖时,要用大量木料支撑,还需多次顶替,施工既困难又不安全,故在中国未见采用。该法在外文文献中还称之为奥国法或称老奥法。

 


蘑菇形法

   综合先拱后墙法和漏斗棚架法的特点而形成的一种混合方案(图5)。开挖1至4部后呈现形似蘑菇状的断面,故名。在下导坑中设立漏斗棚架,供向上扩大开挖时装碴之用,同时当拱部地质条件较差时,为使施工安全可先筑顶拱。该法具有容易改变为其他方法的优点,遇岩层差时改为单纯的先拱后墙法,岩层好时改为漏斗棚架法。在中国首先应用于岩层基本稳定的铁路隧道施工,以后又用来修筑大断面洞室,为减少设立模架作业及其所需材料,并加快施工进度创造有利条件。


侧壁导坑先墙后拱法

   简称侧壁导坑法,也称核心支持法。在很松软、不稳定地层中修筑大跨度隧道时,为了施工安全,先沿坑道周边分部开挖,随即逐步由边墙到顶拱修筑衬砌,以防止地层坍塌。开挖时可将临时支撑和拱架都支承于坑道中间未被开挖的大块核心地层上,在衬砌保护之下最后将此核心挖除,必要时再砌筑仰拱(图6)。侧导坑的宽度较大,除包括边墙以外,还须有通行出土斗车和工人以及砌筑边墙的工作位置,才能使导坑开挖和边墙衬砌作业同时进行。为了核心部分地层的稳定,也须保持足够的宽度,且其宽度愈大,留在最后的开挖量愈大,开挖费用就愈小。此法通常适用于围岩压力很大、地层不稳定的大跨度隧道(如双线或多线铁路隧道和道路隧道、运河隧道)。在坚硬岩层中修建大跨度洞室时也常采用,利用其核心部分作为支承顶拱和边墙模板的基础;开挖时临时支撑可大为减少,甚至完全免除。该法在外文文献中至今还称德国法。

  此外,在大断面洞室施工时,还采用先拱后墙法与核心支持法、先拱后墙法与正台阶法等的混合方案。

  爆破开挖

   隧道及地下工程施工的爆破与一般石方工程的爆破要求不同。为了便于装碴和不损坏附近的临时支撑或永久性衬砌,不使岩层爆得粉碎或碎落的岩块过大,又不使爆破时的岩块抛掷很远,故一般用松动爆破。由钻眼、装药、封口、起爆、排烟、临时支护和出碴等作业,组成一个爆破循环,其中钻眼和出碴占用大部分时间,应使之机械化,如采用凿岩机、装碴机、矿用牵引机车等。

  为了提高爆破效果,避免超挖或欠挖,并使坑道的轮廓符合设计要求,除须根据岩层情况和坑道断面大小,选择炮眼的数目、直径、深度和装药量等参数之外,炮眼布置也是重要影响因素。  



为了在爆破时开辟新的自由面(即临空面),不论在导坑开挖还是在全断面开挖时,通常在开挖面上布置位于中央的掏槽眼,及其周围用以扩大爆破范围的辅助眼,和控制开挖面轮廓的周边眼等三类炮眼,并按先掏槽后周边的次序先后起爆。掏槽眼的布置形式一般有直眼掏槽和斜眼掏槽。前者的炮眼轴线与开挖面垂直,可将几个掏槽眼布置成一字形、梅花形或螺旋形;斜眼的轴线则与开挖面斜交,并随地质构造的不同,布置成楔形、锥形或扇形。

  爆破材料大多采用威力较低、价格较廉的硝铵炸药,有水时则用硝化甘油炸药。起爆时以往大多用火雷管作火花起爆;后来改用电雷管、毫秒雷管,用电起爆;近期又出现用导爆管的非电起爆。

  爆破开挖时,为保证开挖面轮廓准确而平整,并控制对围岩的震动,近年来,在爆破技术上发展和应用了光面爆破、预裂爆破和毫秒爆破等新技术,达到了预期的爆破效果。

  矿山法常用设备 芬兰Normet公司的喷浆台车、混凝土台车、高空作业车、炸药台车、撬毛台车,SADVIK和ATLAS的凿岩台车。


矿山法施工方法图示:
















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